一种GNSS基带信号的捕获方法及装置与流程

本发明涉及GNSS基带信号的处理，尤其涉及GNSS基带信号的捕获方法及装置。

背景技术：

随着科技的迅速发展，出现了多种多样的导航系统。单一导航系统很难满足全球、全天候、各种复杂环境下的导航需求，利用两种或多种系统组成的组合导航系统成为了各国研究的热点。

然而卫星传输到地面的只是被调制了信息的高频载波，为了获得卫星的测距码和导航电文等有用信息必须对卫星信号进行处理。北斗、GPS和GLONASS卫星所发射的信号结构和方式相互虽存在着差异，但是对其信号处理的方法是相似的。

对于卫星信号的处理一般都是首先对信号结构进行分析、捕获并跟踪，最后得到导航电文。而随着国内的北斗导航系统的公开，则就需要一种针对北斗导航系统中GNSS基带信号的处理系统。另外，对于现有的卫星信号处理时，其处理速度慢，尤其在捕获信号时，不能够支持多通道数据捕获。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种GNSS基带信号的捕获方法，其能够实现多通道、快速捕获GNSS基带信号。

本发明的目的之一采用以下技术方案实现：

本发明提供了一种GNSS基带信号的捕获方法，包括以下步骤：

S1：将当前未捕获卫星的频率划分为M个第一频段以及对每个第一频段分配一对应的相关器，在每个第一频段内通过相关器搜索卫星信号的方法对当前未捕获卫星进行搜索，并得出每个相关器的输出结果；

S2：根据所有的输出结果判断当前未捕获卫星是否被捕获，若是，则将当前未捕获卫星标记为已捕获卫星，切换到下一颗卫星并记为当前未捕获卫星，执行S1；直到捕获到四颗卫星时，执行S3；

S3：根据上述四颗卫星的卫星导航电文获取当前所有的可观测卫星的卫星号；

S4：根据卫星号得到所有的未捕获卫星的频率，将每个未捕获卫星的频率进行划分为N个第二频段以及对每个第二频段分配一对应的相关器，在每个第二频段内通过相关器搜索卫星信号的方法依次对每个未捕获卫星进行搜索，并判断每个未捕获卫星是否已被捕获，若是，则将对应的未捕获卫星记为已捕获卫星；

S5：当所有的卫星均标记为已捕获卫星时，GNSS基带信号完成捕获。

优选地，还包括将每个已捕获卫星的频率划分为I个第三频段，在每个第三频段内通过相关器搜索卫星信号的方法依次对每个已捕获卫星进行二次捕获，直到对所有的已捕获卫星的完成二次捕获。

优选地，所述I＝10。

优选地，所述相关器搜索卫星信号的方法具体包括以下步骤：

S11：将通过GNSS天线接收到的信号转换为中频数字信号s(t)，该中频数字信号s(t)可用公式(1)表示：

其中，P是信号功率；D(t)是导航电文比特；C(t)是C/A码；τ表示卫星信号从卫星到接收机的传输过程中的时间延迟；f_d是多普勒频移；t为观测时间；f_IF＝f_标称+f_d，表示为载波下变频的中频信号；f_标称表示中频数字信号的标称频率；φ为初始载波相位；n(t)为白噪声，其功率谱密度为常量；f_L1表示中频数字信号处于L1频段的频率；

S12：将中频数字信号s(t)与本地载波信号相乘，得到同相分量I(t)和正相分量Q(t)；

所述本地载波信号表示为其中为捕获时估计的多普勒频移，f_loc表示中频数字信号的实际频率，Q_loc(t)表示本地载波信号正相分量的信号，I_loc(t)表示本地载波信号同相分量的信号，φ_loc表示中频数字信号的初始相位；

将(1)和(2)混频后得到同相分量I(t)和正相分量Q(t)，可用公式(3)表示：

S13：通过低通滤波器对公式(3)的信号进行处理后得到公式(4)：

其中，为多普勒频移估计残差；

S14：假设本地伪码序列可以表示为将其与公式(4)进行相关处理并积分，可得同相分量积分I_P以及正相分量积分Q_P，其具体由公式(5)表示：

其中T为预检测积分时间，表示卫星信号从卫星到接收机的传播时间；

S15：对公式(5)作简化处理得到公式(6)：

最终得到的同相分量积分I_P以及正相分量积分Q_P，也即是相关器的输出结果。

优选地，T为1ms、2ms、5ms或10ms。

优选地，M＝N+4。

优选地，M＝32，N＝28。

为了克服现有技术的不足，本发明的目的之二在于提供一种GNSS基带信号的捕获装置，其能够实现多通道、快速捕获GNSS基带信号。

本发明的目的之二采用以下技术方案实现：

本发明还提供了一种GNSS基带信号的捕获装置，包括：

第一颗卫星捕获模块，用于将当前未捕获卫星的频率划分为M个第一频段以及对每个第一频段分配一对应的相关器，在每个第一频段内通过相关器搜索卫星信号的方法对当前未捕获卫星进行搜索，并得出每个相关器的输出结果；

捕获完成标记模块，用于根据所有的输出结果判断当前未捕获卫星是否被捕获，若是，则将当前未捕获卫星标记为已捕获卫星，切换到下一颗卫星并记为当前未捕获卫星，执行第一颗卫星捕获模块；直到捕获到四颗卫星时，执行卫星号获取模块；

卫星号获取模块，用于根据上述四颗卫星的卫星导航电文获取当前所有的可观测卫星的卫星号；

其他卫星捕获模块，用于根据卫星号得到所有的未捕获卫星的频率，将每个未捕获卫星的频率进行划分为N个第二频段以及对每个第二频段分配一对应的相关器，在每个第二频段内通过相关器搜索卫星信号的方法依次对每个未捕获卫星进行搜索，并判断每个未捕获卫星是否已被捕获，若是，则将对应的未捕获卫星记为已捕获卫星；

捕获完成模块，用于当所有的卫星均标记为已捕获卫星时，GNSS基带信号完成捕获。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：本发明通过使用多个相关器对同一颗卫星进行搜索，大大减少了系统对捕获卫星信号时的捕获时间，提高了系统的处理效率；另外，本发明还进行二次捕获，更进一步将卫星信号定位到更加精确的频段内，为后一步的处理提供了更加精确的数据。

附图说明

图1为本发明提供的一实施例的方法流程图；

图2为本发明提供的一实施例的装置模块图。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述：

如图1所示，对于一个接收机来说，其位置是根据卫星来确定的，也即是在确定接收机的位置时，首先需要接收到所有卫星的卫星信号，也即是对卫星信号进行搜索并捕获。一般来说卫星有32颗，每个卫星的卫星信号的频率都不同，在对32颗卫星的卫星信号进行捕获时，为了提高捕获的时间，本发明提供了一种GNSS基带信号的捕获方法，其能够快速捕获到所有卫星的卫星信号，该方法包括以下步骤：

S1：将当前未捕获卫星的频率划分为M个第一频段以及对每个第一频段分配一对应的相关器，在每个频段内通过相关器搜索卫星信号的方法对未捕获卫星进行搜索，并得出每个相关器的输出结果。

首先，当对于卫星信号完成不知道的情况下，一般是凭借经验值来一个未捕获卫星的频率进行设定，也即是估算出一卫星的卫星信号在哪个频段内。在接收机中设置多个相关器，该相关器就是利用信号的相关特性将有用信号从干扰和噪声中提取出来的仪器。本发明中的相关器设置为32个，在对同一颗卫星进行搜索时，使用32个相关器同时进行并行处理，从而能够快速完成该卫星的搜索。由于每个未捕获卫星的频率的范围可能很大，因此，首先将其划分为多个第一频段，并对每个第一频段分配一对应的相关器，从而在每个频段内通过相关器搜索卫星信号的方法对未捕获卫星进行搜索，这样多个相关器同时运行，大大减少搜索的时间。而相关器搜索卫星信号的方法具体包括以下步骤：

S11：将通过GNSS天线接收到的信号转换为中频数字信号s(t)，该中频数字信号s(t)可表示为：

其中，P是信号功率；D(t)是导航电文比特；C(t)是C/A码；τ表示卫星信号从卫星到接收机的传输过程中的时间延迟；f_d是多普勒频移；t为观测时间；f_IF＝f_标称+f_d，表示为载波下变频的中频信号；f_标称表示中频数字信号的标称频率；φ为初始载波相位；n(t)为白噪声，其功率谱密度为常量；f_L1表示中频数字信号处于L1频段的频率。

S12：将中频数字信号s(t)与本地载波信号相乘，得到同相分量I(t)和正相分量Q(t)；

所述本地载波信号表示为其中为捕获时估计的多普勒频移，f_loc表示中频数字信号的实际频率，Q_loc(t)表示本地载波信号正相分量的信号，I_loc(t)表示本地载波信号同相分量的信号，φ_loc表示中频数字信号的初始相位。

假设为多普勒频移估计残差，在捕获卫星信号时，只有使得Δf尽量接近0，才能够捕获到对应的卫星信号。

优选地，本发明中对于信号的捕获中，一般设置Δf的值小于一定的阈值就认为完成对卫星的捕获。

将(1)和(2)混频后得到同相分量I(t)和正相分量Q(t)，也即是：

S13：通过低通滤波器对同相分量I(t)和正相分量Q(t)进行处理后得到公式(4)：

S14：假设本地伪码序列可以表示为将其与式(4)进行相关处理并积分，可得同相分量积分I_P以及正相分量积分Q_P，其可用公式(5)表示：

其中T为预检测积分时间，且T<20ms；对C/A码而言一般取码片周期1ms的整数倍，表示卫星信号从卫星到接收机的传播时间。

S15：由于D(t)是导航电文比特，其比特率为50bps，可以认为在积分T时间内，D(t)不变化，故可将其提到积分号以外，将公式(5)简化为公式(6)：

也即是说每个相关器对卫星信号进行搜索后均输出一组同相分量积分I_P以及正相分量积分Q_P的数据，也即是相关器的输出结果。

S2：根据所有的输出结果判断当前未捕获卫星是否已被捕获，若是，则未捕获卫星将当前未捕获卫星记为已捕获卫星，切换到下一颗卫星并记为当前未捕获卫星，执行S1；直到捕获到四颗卫星时，执行S3。

对于每个未捕获卫星进行搜索时本发明中是采用多个相关器对不同的频段同时对同一颗未捕获卫星进行搜索，这样每个频段内的相关器都会有一个输出结果。也即是每个频段内所得到的同相分量的积分I_P和正相分量的积分Q_P进行平方和计算得到的值进行比较，选取最大的值所对应的频段作为该未捕获卫星的卫星信号的频段，也即是当前未捕获卫星被捕获。当完成一颗卫星的捕获后，继续依据同样的方法对其他的未捕获卫星进行捕获，直到完成四颗卫星的捕获。

S3：根据上述四颗卫星的卫星导航电文获取当前所有的可观测卫星的卫星号。

一般来说，只要有四颗卫星即可产生定位结果的特点，可以根据上述四颗卫星的卫星信号中的导航电文获取到所有可观测卫星的卫星号。又由于每个卫星都具有对应的卫星号，这样就可以根据卫星号得到对应的卫星的位置、频率等信息。这样，在对其他未捕获卫星进行搜索时，其搜索的频率范围也就确定了，这样对其他未捕获卫星的搜索时间就可以大大减少。

S4：根据卫星号得到所有的未捕获卫星的频率，将每个未捕获卫星的频率进行划分为N个第二频段以及对每个第二频段分配一对应的相关器，在每个第二频段内通过相关器搜索卫星信号的方法依次对每个未捕获卫星进行搜索，并判断每个未捕获卫星是否已被捕获，若是，则将对应的未捕获卫星记为已捕获卫星。

由于获取到每个未捕获卫星的卫星号，就能够确定未捕获卫星的搜索频率。这里的未捕获卫星是指的除掉已经被捕获的4颗卫星以外的其他卫星。由于本发明中所采用的相关器总共有32个，其中4个相关器已经完成对上述四颗卫星的捕获，则还剩下28个相关器，这样为了保证搜索的时间，可将28个相关器也同时对一颗未捕获卫星进行搜索。也即是采用同样的相关器搜索卫星信号的方法对每一颗未捕获的卫星进行搜索。当一颗未捕获卫星被捕获时将其记为已捕获卫星，继续其他未捕获卫星；直到所有的未捕获卫星全部被捕获到，也即是所有的卫星被标志为已捕获卫星。

S5：当所有的卫星均标记为已捕获卫星时，GNSS基带信号完成捕获。

当所有的卫星被捕获时，也即是说所有卫星的卫星信号都被确定在对应的频段内，这样在下一步对卫星信号进行跟踪处理时，就能够将每个卫星的卫星信号确定在已知的频段内，从而可快速得到该接收机的位置信息。

优选地，所述相关器搜索卫星信号时，由于卫星信号在达到地面前要穿过电离层、对流层等，存在很大的能量损耗，损耗程度随着接收机与卫星之间的距离变化，收到的信号能量有强有弱。而对于强信号来说，相关器只要在很短的时间内就可以捕获到对应的信号；对于弱信号来说，相关器在短时间内就很难捕获到对应的信号。因此，在通过相关器对卫星信号进行搜索时，对于预检测积分时间的设置采用轮流的方式。本发明中所选用的预检测积分时间为1ms、2ms、5ms以及10ms。也即是说比如对于强信号，可以采取的预检测积分时间为1ms、2ms、5ms；而对于弱信号来说，可采取的预检测积分时间为10ms。对于卫星信号一般包括PRN码和卫星导航电文；而在捕获信号时，是通过将本地载波信号与卫星信号进行混频，不断调整本地载波信号，使得本地载波信号与卫星信号中的PRN码接近时，就表示该卫星信号已被搜索到，而对于卫星信号的PRN码是每隔一段时间进行一次改变，也即是说在对信号进行捕获时，必须在卫星行的PRN码变换一次的时间内完成一次搜索，若不能完成，则就需要重新调整本地载波再次对卫星信号进行搜索，这样就会造成时间上的大量浪费。而对于强信号来说，只需要很短的时间就可以搜索到卫星信号，因此将搜索的积分时间设置较短就可以完成搜索，从而可节省较多时间，而对于弱信号，在很短的时间内很难搜索到对应的卫星信号，因此在搜索卫星信号时，可将积分时间逐步增大，直到搜索到卫星信号。当然该预检测积分时间不会超过卫星信号的PRN码的变化时间。本发明中，在对卫星进行捕获时，采用一种自适应的捕获方法，采用一种轮流的方式来对卫星进行捕获。首先设置预检测积分时间为1ms，若在此积分时间下无法捕获到任何的卫星时，自动将预检测积分时间设置为2ms；同样的道理，将预检测积分时间设置为5ms以及10ms，直到能够捕获到卫星即可。

另外，判断信号的强弱还与卫星的高度角有关，根据卫星的位置可计算得到卫星的高度角。也即是，卫星的高度角越大时，其对应的信号的强度越强；而卫星的高度角越小，其对应的信号的强度越弱。当得到卫星的位置时，也可以判断到该卫星对应的卫星信号为强信号还是弱信号，然后在设置积分时间，就能够进一步快速捕获到卫星。

进一步，还包括二次捕获，也即是说对于S1到S4已经对所有的卫星完成了捕获，那每一个卫星的卫星信号都已经被确定在一固定的频段内，比如首先搜索的4颗卫星的卫星信号会确定在对应的第一频段内，而后面28颗卫星的卫星信号会确定在对应的第二频段内。为了进一步将每个卫星的卫星行的频段更加精确，则对上述确定的频段进行再一次划分，然后通过上述捕获方法对所有的卫星在进行捕获，从而能够得到每个卫星的卫星信号的频率更加的精确。比如，一把来说，采用上述S1到S4完成对所有卫星的捕获后，卫星信号的频率的范围被确定为500Hz，然后对上述500Hz的频率在进行划分多个频段，比如将其划分10个频段，也即是每个频段的频率为50Hz；然后按照上述捕获方法对所有的卫星进捕获，这样得到最终所有卫星的卫星信号的频率精度就为50Hz，也即是使得GNSS基带信号的精度大大增加。

如图2所示，本发明还提供了一种GNSS基带信号的捕获装置，包括：

第一颗卫星捕获模块，用于将当前未捕获卫星的频率划分为M个第一频段以及对每个第一频段分配一对应的相关器，在每个第一频段内通过相关器搜索卫星信号的方法对当前未捕获卫星进行搜索并得出每个相关器的输出结果；

捕获完成标记模块，用于根据所有的输出结果判断当前未捕获卫星是否被捕获，若是，则将当前未捕获卫星标记为已捕获卫星，切换到下一颗卫星并记为当前未捕获卫星，执行第一颗卫星捕获模块；直到捕获到四颗卫星时，执行卫星号获取模块；

卫星号获取模块，用于根据上述四颗卫星的卫星导航电文获取当前所有的可观测卫星的卫星号；

其他卫星捕获模块，用于根据卫星号得到所有的未捕获卫星的频率，将每个未捕获卫星的频率进行划分为N个第二频段以及对每个第二频段分配一对应的相关器，在每个第二频段内通过相关器搜索卫星信号的方法依次对每个未捕获卫星进行搜索，并判断每个未捕获卫星是否已被捕获，若是，则将对应的未捕获卫星记为已捕获卫星；

捕获完成模块，用于当所有的卫星均标记为已捕获卫星时，GNSS基带信号完成捕获。

对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。